由于电离层主要受太阳辐射的影响,因此包括太阳通量、A指数、Ap指数、K指数、Kp指数在内的这些太阳指数,对于电离层的预测都非常重要。

电磁波在大气中传播时,会与其中的介质产生相互作用,发生反射、折射或衍射现象。这些相互作用可以让无线电信号改变原有的传播方向,到达原本无法抵达的区域。

众所周知的是电离层的传播情况在时刻发生着改变。因此,无线电传播预测在许多应用中都是很必要的。比如熟悉这些传播知识的业余无线电爱好者,就知道如何选择最合适的时间和频率进行通联。


无线电传播预测

有许多太阳指数会用于短波传播情况的预测,然而,反映太阳辐射和地磁活动水平的数值才是传播预测的最佳线索。最主要的是太阳通量和地磁指数:A指数和K指数。利用这些指数,就能粗略地手动推算传播情况。而且,也有各种无线电传播预测软件可以用,它们将各类指数,以及地球上的具体位置、时间、季节和太阳黑子周期等均纳入考量。

太阳通量

反映太阳辐射水平的主要指标之一:太阳通量,对无线电通联的传播情况有着重要影响。这个太阳指数通过检测2800 MHz (10.7cm波长)频率上的信号噪声电平来测量。该指数所用的单位为太阳辐射通量(SFU)。(1SFU=1×10-22W/m2 Hz)

地球上不同地方的太阳辐射水平是不同的。即使加入修正系数,也很难得出这样一组数值。为了解决该问题,大家将加拿大彭蒂克顿射电天文台每天观测到的数值作为标准。这些数值对电离层传播预测有很大影响。

来自太阳的电离辐射水平与太阳通量差不多成正比。它们之间并非直接相关,而是有一个统计关系,因为在2800 MHz频率上接收到的信号噪声强度相比电离层中辐射产生的电离要低一百万倍。不过,太阳通量提供了良好的一次近似值,特别是对于主要影响远距离通信的F层电离水平。最佳的修正因子是平滑太阳黑子数(SSN)水平。

有许多方程都能表示每日太阳黑子数与太阳通量的关系,不过我们给出的是最为简单的式子,而且其准确度足够适用于大多数情形。

太阳通量(SFU)=73.4+0.62R

R代表每日黑子数或沃尔夫数。

更为准确的式子如下,而且还有更为复杂的方程式表明这两个值之间的关系并不完全成线性关系。

太阳通量(SFU)=63.7+0.728R+0.00089R2

太阳通量值变化范围很宽。最低的时候(特别是太阳黑子最少时)可能低至50,最高的时候可以高达300(大概在太阳黑子最多时)。

由于太阳通量反映了电离层中的电离水平,因此就指出了无线电通信的最大可用频率(MUF)是多少。较低的太阳通量表明MUF可能会很低。较高的太阳通量则表示MUF可能会比较高。应当记住的是,要想在短波通信的高波段出现良好传播,需要出现连续几天持续高太阳辐射同时低扰动水平的情况。

地磁指数

除了太阳通量,另一个对电离层和传播预测产生重要影响的因素是地磁活动水平。虽然地磁活动测量的是地球磁场,事实上还是受到太阳影响。有两个互相关联的数值用来反映地磁活动情况:

  • K指数
  • A指数

虽然是不同的两个值,但他们都反映了磁场波动强度,进而表明对电离层的扰动水平。

K指数

K指数是每3小时测量地球磁场相较于平静时期的磁场变化值。用磁力计测得的数值,显示了以毫微特斯拉(nT)为单位的磁通量变化情况。接着,该读数就转换为K指数。它们呈准对数关系,即几乎在对数刻度上成正比。

K指数在全球多个位置进行测量。不同地方的磁场会发生改变,所以各个观测点得出的K指数也不一样。由于不同地点的磁场变化方式取决于磁层所受的扰动情况,因此观测点与全球K指数之间并非是某种简单的关系。而是通过将全球各个K指数取平均值的方式来得出Kp或行星K指数。

Kp指数

行星或Kp指数值从0到9共分10级。0-1表示地磁扰动较弱,不会对短波传播造成衰减。Kp值为2-4表示可能有一定的地磁活动会对短波通信有影响。Kp值为5表示有较弱的地磁暴,6表示更强。数值一直到9之间表示情况不断恶化,而Kp值为9表示很有可能造成HF电离层传播完全失效数个小时。

A指数

A指数是地球磁场的线性度量。因此,A指数的值延伸到了更宽的范围。它通过将K指数以一定幅度转化为一个线性值“a”指数。然后将一天的数值取平均值得到A指数。像K指数一样,将全球观测站的数值再取平均值得到行星Ap指数。

在地磁暴发生时,A指数的值可以高达100,甚至在发生严重的地磁暴时,能够升至400。

A指数和Kp指数的关系

虽然A指数和K指数是不同的数值,但还是可以将它们关联起来的。它们之间的简要关系可见下表。


Kp指数和A指数的关系

Ap指数 Kp指数 描述

0

0

安静

4

1

安静

7

2

可能出现

15

3

可能出现

27

4

活跃

48

5

弱地磁暴

80

6

强地磁暴

132

7

严重地磁暴

208

8

超强地磁暴

400

9

超强地磁暴

地磁暴和电离层暴的关系极为密切。然而他们产生的影响是不同的。地磁风暴与地球磁场的扰动有关,而电离层暴与电离层的扰动相关。而且,我们还发现地磁风暴常常引发电离层暴,但并不是每一次都这样。

数值释义

用最简单的方法利用这些数值进行传播预测就是将它们输入无线电传播预报软件。它们会对未来的情况给出最准确的预测。这些程序会将信号路径之类的因素考虑进去,因为有些穿越两极的信号相比于穿越赤道会更容易受到风暴的影响。

然而,我们还可以通过脑补这些数值来对电离层与无线电传播进行评估。显然,良好的无线电通信传播需要较高的太阳通量。通常数值越高,情况越好。但是这个高通量的水平需要持续一段日子。这样整个F2层的电离水平才能形成。虽然太阳通量达到200或更高水平时更好,但是典型值为150或更高即能保证良好的HF传播情况。这样的话,最大可用频率会升高,从而提供良好的短波通信条件。

地磁活动水平会起到相反的作用,压制最大可用频率。地磁活动水平越高,Ap和Kp指数也会越高,对最大可用频率的抑制也越强。而且实际的数值不仅取决于地磁暴的严重程度,还与持续时间有关。

弄懂太阳指数对于短波通信、双向无线电通信、移动通信、无线电广播,以及各种利用电离层或HF传播的点对点通信的使用都有很大帮助。您能够利用这些数值进行无线电传播预测,迅速评估通信中断的可能性。